全球首款拓扑架构量子芯片问世 微软：量子计算将在数年内实现

美西时间2月20日，经过近20年研究，微软于美国当地时间周三推出了其首款量子计算芯片Majorana 1。微软表示，开发Majorana 1需要创造一种全新的物质状态，即所谓的“拓扑体”。

众所周知，量子计算机的核心是量子比特（qubits），这是量子计算中的信息单位，类似于今天计算机使用的二进制。问题在于，量子比特相当脆弱，并且对环境噪声非常敏感，可能导致计算错误或数据丢失——对于计算机来说是毁灭性的结果。这是量子计算目前发展缓慢的核心矛盾。

而为了解决这个问题，微软的量子芯片采用了一种全新的解决方案，通过创造所谓的“世界首个拓扑体”，得以观察和控制马约拉纳粒子，从而产生更可靠和可扩展的量子比特。

微软透露这种拓扑体使用砷化铟（半导体）和铝（超导体），通过逐个原子设计和构建拓扑导体线材——所谓“量子时代的晶体管”。该公司在博文中表示：“开发用于创造奇异粒子及其相关拓扑态的合适材料难度极大，这也是大多数量子研究聚焦于其他类型量子比特的原因。”

微软在博客中写道，理解拓扑体物质并将其应用于量子计算芯片的制造，需要对原子精确排列材料。

微软解释称，当拓扑导体线材被冷却到接近绝对零度并通过磁场调谐时，会在两端形成马约拉纳零能模（MZMs）。马约拉纳量子比特比其他替代品更稳定。它们快速、小巧且可以数字控制，并具有独特的属性，可以保护量子信息。

在Majorana 1芯片上，微软将拓扑导体纳米线连接在一起形成一个“H”， 每个单元有四个可控的马约拉纳粒子，构成一个量子比特。“H”单元可以连接，微软已经成功将8个单元放置在一块芯片中。通过这种方式，微软使得量子比特能够以数字方式进行控制，重新定义并大大简化了量子计算的工作方式。

除了制造马约拉纳粒子外，微软现在也具备从中测量信息的能力。微软表示，新的测量方法可以精确到检测超导线中十亿个和十亿零一个粒子之间的差异——这会告诉计算机量子比特处于什么状态，并为量子计算奠定基础。测量可以通过电压脉冲开关来开启和关闭，简化了量子计算的过程和构建可扩展机器的物理要求。

当然，微软最终的目标依然是在巴掌大的芯片上，放入100万个量子比特。

微软技术研究员克丽丝塔·斯沃尔（Krysta Svore）表示：“具有讽刺意味的是，这也正是我们需要量子计算机的原因——因为理解这些材料极其困难。而有了可扩展的量子计算机，我们将能够预测具有更优特性的材料，从而构建下一代超越现有规模的量子计算机。”

技术专家认为，量子计算机有朝一日能够高效解决传统计算机难以甚至无法处理的问题。目前的计算机使用比特（bit），其状态只能是开或关，而量子计算机使用量子比特（qubit），可以同时处于两种状态。

谷歌和IBM，以及规模较小的公司如IonQ和Rigetti Computing，也开发了量子处理器。

与微软计划通过Azure公共云提供其定制人工智能芯片Maia 100不同，Majorana 1不会向客户开放使用。

相反，Majorana 1是微软在广泛物理研究基础上，朝着实现单芯片百万量子比特目标迈出的重要一步。

微软没有依赖台积电或其他公司制造其芯片，而是选择在美国自行生产Majorana 1的组件。这是因为目前的研究规模较小，使得自主制造成为可能。

微软执行副总裁杰森·赞德（Jason Zander）表示：“我们希望先实现几百个量子比特，然后再讨论商业可靠性问题。”在此期间，微软将与国家实验室和大学合作，利用Majorana 1开展研究。

尽管目前其主要聚焦于研究，但投资者对量子计算仍然充满兴趣。2024年，IonQ股价上涨了237%，Rigetti股价涨幅接近1500%。两家公司在去年第三季度的总收入达到1480万美元。今年1月，微软发布博客称2025年是“量子计算准备年”，进一步推动了市场热情。

微软的Azure Quantum云服务允许开发者试验程序和算法，并提供对IonQ和Rigetti芯片的访问。赞德表示，微软的量子芯片可能在2030年前通过Azure提供服务。他说：“很多人猜测，距离实现这一目标还有几十年。但我们认为，这可能只需要几年时间。”

量子计算可能不会作为一个独立领域存在，而是会推动微软其他业务的发展。例如，微软的人工智能业务年化收入已超过130亿美元。赞德表示，量子计算机可以用于构建训练AI模型所需的数据。

他表示：“现在，你可以要求量子计算机发明一些新分子或新药物，而这些都是以前不可能做到的事情。”